寧探1 井中下寒武統(tǒng)米氏旋回特征

王文娟 楊光朋 張 杰 高玉超

寧探1 井位于陜北斜坡西南部，構(gòu)造位置在陜甘寧盆地中央古隆起慶陽—黃陵隆起段西南翼緩坡帶。對(duì)研究區(qū)地層的GR 曲線進(jìn)行一維連續(xù)小波變換，擴(kuò)展為二維時(shí)間域和頻率域，得到小波變換模極值和小波能譜圖；與車古202 井對(duì)比，分析得到米氏旋回發(fā)育特征良好。進(jìn)而分析得到不同頻率下小波系數(shù)曲線變化與巖性變化的相關(guān)性。

寧探1 井位于甘肅省寧縣新寧鄉(xiāng)任家堡，屬于陜北斜坡的一部分。陜北斜坡是近年來油氣勘探開發(fā)的主要地區(qū)，其西緣自北向南為鄂托克前旗—鹽池—定邊—環(huán)縣—慶陽—線圍繞形成的中央隆起帶。中央隆起帶東西方向較窄，并且在鹽池以北走向?yàn)槟媳毕?，隆起范圍較大。米蘭科維奇周期（Milankovitch cycle，又稱米氏周期）是20世紀(jì)初期由南斯拉夫?qū)W者M(jìn)ilankovitch 提出的。他認(rèn)為北半球高緯度地區(qū)夏半年日照量的減少是冰期形成的主要因素，而地球上任一緯度日照量的變化都與偏心率、黃赤交角和歲差這3個(gè)地球軌道要素變化有關(guān) 。本文主要探討了寧探1 井中下寒武統(tǒng)地層中米氏旋回的保存狀況以及對(duì)沉積環(huán)境的響應(yīng)。

研究區(qū)地質(zhì)概況

寧探1 井位于華北地臺(tái)北部（圖1），其地質(zhì)環(huán)境與華北地臺(tái)基本相同。寒武紀(jì)時(shí)期華北克拉通地塊發(fā)生緩慢的沉降，普遍接受了淺海相沉積。滄浪鋪期海平面較低，以發(fā)育灰?guī)r、白云巖以及蒸發(fā)巖為特征。龍王廟期構(gòu)造有較大的變化，風(fēng)化強(qiáng)烈，以潮坪環(huán)境為主，研究區(qū)廣泛分布了紅色細(xì)粒碎屑沉積巖，并且夾有多層灰?guī)r、白云巖或白云質(zhì)灰?guī)r。毛莊—徐莊期以鮞粒灰?guī)r、藻灰?guī)r及泥巖為主要特征，夾有灰綠色泥頁巖，表明氣候開始向溫暖潮濕轉(zhuǎn)化。張夏—鳳山期研究區(qū)的沉積環(huán)境有了較大變化，氣候溫暖，以碳酸鹽巖沉積為主。在大多數(shù)地區(qū)張夏組下部以厚層鮞灰?guī)r為特征。

米氏旋回的識(shí)別方法

圖1 研究區(qū)地理格局及井位圖（據(jù)洪大衛(wèi)，修改）

氣候變化由三個(gè)天文周期組成：地球自轉(zhuǎn)變化（歲差），存在兩個(gè)主要周期18.9ka 和22.4～23.7ka；地球黃道與赤道交角變化，主要周期為 39.7～41.0ka；地球公轉(zhuǎn)軌道偏心率變化存在三個(gè)主要周期，分別為412.8ka，95ka～99.5ka，123ka，其中412.8ka 的周期最強(qiáng)。其周期比為1：2：5：20。米蘭科維奇周期理論（即米氏旋回周期理論）認(rèn)為，地球日照量隨著地球軌道參數(shù)變化而改變，進(jìn)而影響了氣候的變化，氣候變化既控制和影響海平面的升降，同時(shí)還控制或影響陸地基準(zhǔn)面波動(dòng)圖。很明顯，日照量和溫度的周期性變化，使得海平面和基準(zhǔn)面的波動(dòng)變化也具有一定的周期性，并且在沉積物的沉積過程中保存了這種周期性，從而使得沉積巖成為記錄地質(zhì)歷史的工具。目前，關(guān)于米蘭科維奇理論主要有以下幾種理論：快速傅里葉變換、頻譜分析、小波變換等等。由于小波變換方法在頻率域和時(shí)間域上具有極高的分辨率，在測井信號(hào)處理上應(yīng)用廣泛，本文在對(duì)原始伽馬信號(hào)歸一化的處理的情況下，運(yùn)用小波變換提取最佳模極值及優(yōu)勢周期，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寧探1 井寒武系地層的米氏旋回的識(shí)別。

對(duì)寧探1 井寒武系地層的GR 測井?dāng)?shù)據(jù)用Matlab差值運(yùn)算法進(jìn)行插值運(yùn)算。對(duì)其運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行一維連續(xù)小波變換，得到小波能譜圖（圖2a），通過對(duì)小波系數(shù)取絕對(duì)值后平均化得到模均值曲線（圖2b），模極大值a=36，68，100，191 和339，依據(jù)上文提到的確定米氏周期的方法，除去響應(yīng)不好的模極大值a=100，339，剩余的a=36，68，191 的比為1：1.89：5.3。與理論米氏旋回周期歲差、黃赤交角和偏心率（即20，40，100 和400ka）比基本吻合，并且誤差也在允許的范圍之內(nèi)，認(rèn)為是米氏旋回的響應(yīng)，即為測井信號(hào)中的優(yōu)勢周期，小波能譜圖中顯示的顏色越亮代表在相應(yīng)的變換尺度下周期變化越明顯，對(duì)應(yīng)了模極大值曲線圖中的極大值。這些極大值點(diǎn)反映了原始測井信號(hào)中的優(yōu)勢周期，再通過小波分析中頻率與尺度的關(guān)系式（1）即可換算得到優(yōu)勢周期的大小。

表1 寧探1 井與車古202 井的米氏旋回特征對(duì)比表

圖2 a 原始測井信號(hào)及小波變換能譜圖

圖2 b 小波變換模極大值曲線圖

圖3 小波變換模極大值曲線圖

式中：a 為尺度；Δ 為采樣周期，本文的采樣周期均為0.125；cF為小波的中心頻率；aF為尺度a 的準(zhǔn)頻率。基于Morlet 小波展開的，cF=0.8125，單位為Hz。準(zhǔn)頻率aF的倒數(shù)為尺度a 對(duì)應(yīng)的旋回厚度值。

利用公式（1）求出每個(gè)周期的厚度為5.5、10.5 和29.4m，從而求得相應(yīng)的AR 值約為0.2mm/a。對(duì)應(yīng)的沉積速率是0.275、0.2625、0.294。

與車古202 井寒武系地層米氏旋回發(fā)育特征對(duì)比

車古202 井為濟(jì)陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷車3 鼻狀構(gòu)造上的一口評(píng)價(jià)井。中下寒武統(tǒng)主要由膏質(zhì)白云巖、灰?guī)r和泥巖組成。寒武系中下統(tǒng)地層的自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算進(jìn)行進(jìn)而進(jìn)行一維連續(xù)小波變換，通過對(duì)小波系數(shù)取絕對(duì)值后平均化得到模均值曲線（圖3），模極大值a=25，55，134 和307，除去響應(yīng)不好的模極大值，剩余的a=25，55，134，其比為1：2.2：5.36，誤差在允許范圍之內(nèi)。通過小波分析中頻率與尺度的關(guān)系式（1）即可換算得到每個(gè)周期的厚度為3.8、8.5 和20.6m，從而求得相應(yīng)的AR 值約為0.2mm/a。對(duì)應(yīng)的沉積速率為0.19、0.2125、0.206。

從表1 中可以看出寧探1 井與車古202 井的米氏旋回周期比基本一致，平均沉積速率基本相同，米氏旋回層發(fā)育較好。寧探1 井的沉積速率比車古202 井的沉積速率稍大，說明研究區(qū)可容空間增長速度小于沉積物的堆積速度，海平面上升速度相對(duì)大于車古202 井，構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較大。所以米氏旋回周期的變化可以反應(yīng)氣候變化及海平面的變化，以及環(huán)境變化過程。

米氏周期旋回對(duì)沉積的響應(yīng)

寧探1 井寒武系地層主要發(fā)育潮坪相和局限臺(tái)地相，研究井段為3722～3952m。寧探1 井寒武系地層由老到新發(fā)育有饅頭組、毛莊組、徐莊組和張夏組。饅頭組主要發(fā)育臨濱亞相和潮上帶泥灰坪；毛莊組主要為潮間帶灰坪；徐莊組為泥云坪和潮下帶泥灰坪；張夏組主要為局限臺(tái)地相。自然伽馬曲線與其他測井曲線比較，更能準(zhǔn)確地反映地層中泥質(zhì)含量的變化，GR 曲線可以有效進(jìn)行高頻地層旋回性的研究。對(duì)寧探1 井寒武系的自然伽馬測井曲線進(jìn)行一維連續(xù)小波變換，得到小波變換能譜圖及模極值曲線。

綜合小波變換能譜圖色譜特征，低頻小波系數(shù)曲線（a=191）在3740～3810m 以 及3870～3910m處形成不同的振蕩特征（圖4）。從上圖可以看出低頻小波系數(shù)曲線（a=191）在3740～3810m 以及3870～3910m 層段小波系數(shù)曲線振蕩明顯，幅度大、均勻，而其他層段小波系數(shù)曲線振蕩不明顯。結(jié)合巖性可以看出，這兩個(gè)層段主要發(fā)育石灰?guī)r、泥灰?guī)r以及白云巖等。中頻小波系數(shù)曲線（a=68）的振蕩幅度和頻率在3810～3870m 相對(duì)比較明顯，幅度大且均勻。對(duì)應(yīng)層位主要發(fā)育泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等。高頻小波系數(shù)曲線的波動(dòng)與原始GR 曲線波動(dòng)基本一致，敏感反應(yīng)了地層中泥質(zhì)含量的變化。通過比較可以得出，不同頻率的小波系數(shù)曲線（即歲差、黃赤交角和偏心率）對(duì)巖石巖性有不同的響應(yīng)。

圖4 寧探1 井中下寒武統(tǒng)綜合柱狀圖

探討

（1）寧探1 井中下寒武統(tǒng)米氏旋回層發(fā)育較好，寧探1 井共識(shí)別出了三個(gè)米氏周期，歲差、黃赤交角以及偏心率短周期，三個(gè)米氏周期都比較完整。

（2）不同頻率的小波系數(shù)曲線（即歲差、黃赤交角和偏心率）對(duì)巖石巖性有不同的響應(yīng)。低頻小波系數(shù)曲線振蕩明顯層段，主要發(fā)育石灰?guī)r、泥灰?guī)r以及白云巖等。中頻小波系數(shù)曲線的振蕩幅度和頻率比較明顯層段主要發(fā)育泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等。